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PKPM STS门式刚架设计中若干问题的探讨 1 STS软件的主要功能可以完成钢结构的模型输入 结构计算 优化设计 连接节点设计和施工图辅助设计 一 门式刚架可完成门式刚架结构的三维模型输入 屋面 墙面设计 钢材统计和报价 以及门式刚架结构的二维模型输入 截面优化 结构计算 节点设计和施工图绘制 二 框架可完成多 高层钢结构框架的三维模型输入 为PKPM的三维计算模块提供建模数据 可以接三维计算软件的设计内力完成全楼节点的连接设计 绘制三维框架设计图 节点和构件施工详图 也可完成钢结构框架的二维模型输入 截面优化 结构计算 节点设计和施工图绘制 2 三 桁架可完成各类桁架结构 型钢 圆钢管或方钢管 的二维模型输入 截面优化 结构计算 节点设计和施工图绘制 采用人机交互方式可以绘制屋架竖向支撑和水平支撑施工详图 四 支架可完成各类支架结构的二维模型输入 截面优化 结构计算 节点设计和施工图绘制 五 框排架可完成排架 框排架结构的二维模型输入 截面优化 结构计算 可以进行实腹式组合截面 格构式组合截面 钢管混凝土截面等复杂截面的输入 对于焊接H形截面柱 可以完成牛腿设计和柱脚设计 绘制排架施工图 3 六 工具箱提供了基本构件和连接节点的计算和绘图工具 可以完成 1 各种截面简支或连续檩条 墙梁的计算和施工图绘制 2 屋面支撑 柱间支撑的计算和施工图绘制 3 吊车梁的截面优化设计和施工图绘制 4 各种连接节点的计算和施工图绘制 5 抗风柱 蜂窝梁 组合梁 简支梁 连续梁 基本梁柱构件设计计算等功能 4 STS软件结构设计要点一 设计依据STS软件采用国家现行规范 规程设计各类钢结构构件 各种安装节点也参照了现行国家建筑标准设计图集的做法 其中 1 对于普通钢结构 如钢框架 钢桁架 钢支架 钢排架 钢吊车梁以及各类支撑等 程序默认按 钢结构设计规范 GB50017 2003设计计算 2 对于冷弯薄壁型钢结构 按 冷弯薄壁型钢结构技术规范 GB50018 2002设计计算 3 对于轻型门式刚架 可以按 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 CECS102 2002或上海市标准 轻型钢结构设计规范 DBJ08 68 97设计计算 当门式刚架结构不符合以上两 5 部规范 规程 的设计规定时 可采用 钢结构设计规范 设计计算 4 对于檩条 墙梁 可以分别按 冷弯薄壁型钢结构技术规范 和 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 设计计算 5 对于钢管混凝土 钢管混凝土组合截面 按 钢管混凝土结构设计与施工规程 CECS28 90设计计算 二 钢材的物理力学性能指标普通钢结构可以选择四种牌号的钢材 Q235钢 Q345钢 Q390钢和Q420钢 钢材的强度设计值根据钢材厚度或直径按 钢结构设计规范 表3 4 1 1采用 轻型门式刚架和冷弯薄壁型钢可以使用的钢材牌号为 Q235钢和Q345钢 钢材的强度设计值分别按 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 表3 3 2 1和 冷弯薄壁型钢结构技术 6 规范 表4 2 1采用 钢材的弹性模量E统一取为2 06 105N mm2 钢材的重力密度 为7 85 103kg m3 三 杆件截面类型STS软件可以计算的杆件截面类型有100余种 其中包括 1 矩形 圆形 工字形 箱形 圆管形 十字形 槽形 L形以及多边形等 2 各种型钢截面 包括角钢 槽钢 工字钢和H型钢 以上型钢截面可直接从程序的型钢库中调用 3 型钢组合截面 如角钢组合截面 槽钢组合截面 4 变截面杆件 包括矩形 工字形和箱形变截面杆件 5 加腋梁截面 包括矩形 工字形和箱形加腋梁 7 6 工字钢与钢筋混凝土楼板组合梁截面 7 各类实腹式和格构式组合截面 8 钢管混凝土及钢管混凝土组成的格构式组合截面 9 冷弯薄壁型钢截面及冷弯薄壁型钢组合截面 各种通用的型钢规格及其相关参数由程序的数据库管理 一旦选用了某种规格的型钢 其截面特性由程序自动从型钢库中提取 对于其他异形截面及组合截面的截面特性则由程序计算生成 8 门式刚架二维设计 9 门式刚架二维设计基本流程 10 一 快速建模1 可以自动生成构件截面 无吊车时 柱为变截面 楔形柱 有吊车时 柱为等截面 有时需要修改为阶形柱 等截面 21m刚架梁变截面 定义刚架斜梁的分段数有两个作用 其一可以确定该坡存在不同截面的段数 另外在分段处 程序会自动增加节点 该节点即是不同截面的交点 也可以作为刚架斜梁的拼接节点 分段方式可以是等分或不等分 分段比是每一分段的长度比 数据间用空格分隔 其输入方式可以采用多种形式 11 构件当作梁或柱输入 其内力计算结果相同 但在按 钢结构设计规范 进行构件设计时 如果按柱输入 按压弯构件分别进行强度和稳定计算 强度计算时取两个端截面 如果按梁输入 则按纯弯构件分别计算上 下翼缘的正应力 剪应力和挠度 并取跨中13个截面分别进行强度计算 在布置梁 柱时 柱偏心为柱截面形心 变截面柱为柱小头 相对于轴线的偏心 而对于梁程序默认梁顶面与轴线重合 12 2 可自动生成恒 活荷载及风荷载 当选择 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 确定风荷载时 垂直于建筑物表面的风荷载 按下列公式计算 其中 基本风压 按 建筑结构荷载规范 GB50009 2006版 的规定值乘以1 05 对话框中的风压调整系数 采用 刚架风荷载体型系数 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 附录A只给出了双坡和单坡基本形式门式刚架的风荷载体型系数 而对于由以上两种基本形式组合而成的结构类型和体型 风荷载体型系数可按 建筑结构荷载规范 的规定采用 13 二 刚架梁 柱平面外计算长度1 平面内计算长度系数默认值为 1 0 即平面内计算长度系数由程序根据相应的规范 或规程 自动计算 2 平面外计算长度应取侧向支承点间的距离 所以需要根据结构在平面外的有效支承点间的距离修改平面外计算长度 钢结构设计手册 对目前在实际工程中关于门式刚架梁 柱平面外计算长度取值的诸多做法做了详述 可供设计人员参考 1 刚架梁平面外计算长度ly通常情况下刚架梁在跨中为上翼缘受压 而在梁端为下翼缘受压 故分上翼缘和下翼缘两种情况 14 1 上翼缘平面外计算长度ly通常有两种取法 a 取上翼缘支撑的节距 支撑的节距按刚架跨度 柱距确定 通常取檩距的倍数 如1 5m檩距 支撑节距可取3 0 4 5和6 0m b 取3m 不少轻型房屋门式刚架中取2倍檩距 当1 5m檩距时取ly 3 0m 如果以上2个檩距3根檩条均不在横向支撑节点时 檩条将随刚架梁的上翼缘侧弯 不能起支撑作用 只有位于支撑节点处的檩条才能起侧向支承点作用 当屋面刚度较好 与檩条的连接可靠时 考虑屋面实际存在的蒙皮作用 取2个檩距 即3 0m 这按 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 第5 1 2条的精神在实践中也是可行的 2 下翼缘平面外计算长度ly一般有两种取法 15 a 取隅撑的间距隅撑间距取不大于 b1为受压翼缘宽度 多数取3 0 4 5m 另一种观点取与上翼缘横向支承节点处檩条相连的隅撑间距 b 不设隅撑 取ly 0 4L0 L0为刚架的跨度 取ly 0 4L0的前提与刚架梁的弯矩图形有关 一般情况下 梁端为负弯矩 跨中为正弯矩 考虑柱面风荷载使梁反弯点内移 故偏于安全地取反弯点距梁端为L0 5 借用 薄钢规范 第10 1 4条中格构式刚架平面外计算长度的计算公式得ly 0 4L0 国家建筑标准设计 门式刚架轻型房屋钢结构 有吊车 04SG518 3采用了这种做法 但对于跨度较大的刚架 会出现平面外稳定应力控制设计的情况 造成用钢量过多 16 2 刚架柱平面外计算长度ly当有吊车时 上柱取上柱支撑与柱连接点的距离 即上柱长度 下柱取下柱支撑与柱连接点的距离 即下柱长度 无吊车时有两种取值方法 a 取柱间支撑与柱连接点的距离 即柱全长 b 与刚架梁相同 考虑墙梁与墙板的蒙皮作用 或设置隅撑 取ly 3 0m 可设计出合理的截面 关键是墙板的刚度及其与墙梁的连接牢固程度 三 柱脚类型通常情况下 对结构刚度要求较高 例如带吊车的门式刚架 一般采用刚接柱脚 而对于普通门式刚架可采用铰接柱脚 程序默认的柱脚 有吊 刚接 无吊 铰接 17 四 吊车荷载输入1 选择吊车类型 并输入吊车最大轮压Pmax 最小轮压Pmin传给刚架柱牛腿的最大竖向荷载Dmax 最小竖向荷载Dmin 吊车横向水平荷载 Tmax 以及吊车荷载的作用位置 2 吊车荷载导入功能 即直接输入吊车资料和相关参数 程序将计算出作用在刚架柱上的吊车荷载Dmax Dmin Tmax和吊车桥架重量 吊车荷载定义和布置时应注意以下几个问题 1 最大轮压Pmax 最小轮压Pmin产生的吊车竖向荷载 Dmax Dmin 是吊车最大 最小轮压根据影响线计算出的作用在刚架柱上的荷载 2 吊车横向水平荷载Tmax为按 建筑结构荷载规范 计算的总横向水平荷载 荷载布置时程序将按Tmax 2分别作用在 18 两侧的柱上 一般情况下 对于电动单梁吊车可不考虑Tmax 3 吊车梁 制动结构等自重应作为作用在牛腿上的节点恒载输入 容易忽略 4 吊车桥架重量是用于地震作用计算时的集中质点质量 将吊车作用位置假定为一个质点 对于小吨位吊车一般可不考虑它的地震作用 桥架重量可定义为零 19 五 设计参数定义1 结构类型参数 1 设计规范对于轻型门式刚架 可以按 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 或上海市标准 轻型钢结构设计规范 设计计算 当门式刚架结构不符合以上两部规范 规程 的设计规定时 可采用 钢结构设计规范 设计计算 2 设计控制参数在 设计控制参数 中可以按所选规范 或规程 的规定 定义受压 受拉构件的容许长细比 柱顶位移 梁的挠跨比等控制参数 当选择 钢结构设计规范 设计计算时 挠度验算需要输入两个值 第一个 T 梁跨度 为永久荷载和可变荷载标准值产生的挠跨比容许值 第二个 Q 梁跨度 20 为可变荷载标准值产生的挠跨比容许值 3 多台吊车组合时的吊车荷载折减系数当有多台吊车时 吊车荷载应按 建筑结构荷载规范 表5 2 2乘以多台吊车的荷载折减系数 4 门式刚架梁按压弯构件验算平面内稳定性实腹式门式刚架斜梁当坡度较小时 可不进行平面内的稳定计算 仅按压弯构件计算强度和平面外稳定性 但当斜梁坡度较大时 斜梁轴力较大 平面内稳定不能忽略 此时应勾选 钢梁还要按压弯构件验算平面内稳定性 5 摇摆柱设计内力放大系数如果考虑两端铰接的摇摆柱非理想铰接的不利影响 可修改 摇摆柱设计内力放大系数 在强度和稳定性设计时 将柱的轴力设计值乘以该放大系数进行计算 21 6 单层厂房排架柱计算长度折减系数当采用 钢结构设计规范 设计时 对于下端刚性固定的阶形柱 如设有桥式吊车的门式刚架 可以按 钢结构设计规范 表5 3 4考虑在排架平面内的计算长度折减系数 2 总信息参数 1 钢结构参数1 自重计算放大系数 程序是根据构件的截面尺寸来计算结构自重荷载 对于一些附加重量 如节点板等 可通过该系数考虑这一影响 2 钢柱计算长度系数计算方法 只在按 钢结构设计规范 线刚度比计算柱平面内计算长度系数时考虑此参数 有侧移或无侧移框架应按 钢结构设计规范 的有关规定确定 22 3 净截面和毛截面比值 在进行截面强度设计时应采用净截面 如果截面有削弱 如孔洞等 应考虑该系数 2 总体参数1 结构重要性系数 对于不同的结构类型和结构设计使用年限 可按 建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068 2001第7 0 3条选择结构重要性系数 0 2 梁柱自重计算信息 该项确定在结构分析时 是否考虑柱 或梁柱的自重荷载 3 基础计算信息 只有在 补充数据 下布置了基础后才可以选择是否进行基础计算 可以定义基础设计的相关参数 4 考虑恒载下柱轴向变形 钢结构一般均应考虑恒载作用下柱的轴向变形 尤其是对柱轴向变形比较敏感的结构 23 3 地震计算参数抗震等级 地震烈度 场地类别 设计地震分组 应根据具体工程按 建筑抗震设计规范 2008年版 GB50011 2001的规定选择 对于门式刚架结构 一般为单质点体系 计算振型个数 可取1 如果地震力计算方式选择振型分解法 程序将按 建筑抗震设计规范 的振型分解法进行结构地震作用的计算 4 荷载分项及组合系数荷载分项系数及荷载组合系数均按 建筑结构荷载规范 给出了默认值 一般不需要修改 24 六 截面优化设计门式刚架截面优化是STS为优化设计方案提供的工具 可以利用这一工具进行刚架截面优化设计 也可以直接从输入的模型进行结构计算 程序采用的优化原理是按照强度 稳定性 长细比 挠度以及位移限值 通过多次迭代计算 得到用钢梁最小的截面 如果对优化计算结果满意可执行 导出截面 将优化后的构件截面返回到交互建模的模型截面数据中 在进行门式刚架截面优化时 应注意以下问题 1 优化结构类型应选取 轻型门式刚架 针对这种轻型门式刚架的特点 程序采用了相应的优化搜索方法 同时能保证一跨中多段变截面梁截面高度的连续性 25 2 可以优化的门式刚架截面类型有 焊接工字形截面 H型钢截面 3 截面优化是按照分组截面为优化对象 默认为建模输入的同一标准截面构件为一组 一个分组由最不利的构件控制 所以当受力状态差异很大的构件采用同一分组时 优化结果可能比较差 建议当需要优化时 受力状态有明显差异的构件应采用不同的截面分组 4 结构建模时 不允许存在加腋截面 应采用分段变截面输入 5 在建模时可以定义梁 柱的平面内计算长度系数 在优化计算时 程序可以采用定义的梁平面内计算长度系数 但不采用定义的柱平面内计算长度系数 因为当程序调整构件截面尺寸时 柱平面内计算长度系数是变化的 26 七 结构计算完成门式刚架建模和参数输入 或优化计算 后 可对所建模型进行内力分析 构件强度 稳定性计算以及结构变形验算 基础设计等 1 计算结果图形输出图形输出包括结构立面图 梁柱弯矩 轴力和剪力包络图 钢结构应力比图 钢梁挠度图和节点位移图等 采用 门式刚架轻型房屋钢结构技术规程 与采用 钢结构设计规范 的计算结果和输出内容略有不同 2 计算结果文本输出 编制结构计算书的依据包括计算结果文件 基础计算文件 计算长度信息文件以及超限信息文件 27 八 门式刚架施工图STS可以处理不同跨度 不同高度的单跨 多跨 对称和非对称门式刚架 可以有吊车荷载 梁 柱可采用等截面或变截面的焊接工字形或H型钢 梁也可以采用加腋截面 施工图包括 刚架整体立面图 连接节点剖面图 构件详图 腹板大样图 节点大样图 材料表等 节点设计1 连接节点形式可以选择梁柱连接节点 屋脊连接节点和中间梁柱连接节点的形式 2 连接节点设计参数高强度螺栓连接类型 摩擦型连接或承压型高强度螺